## PISTON Journal of Technical Engineering:
Perancangan Generator Magnet Permanen Fluks Aksial pada Turbin Crossflow dengan Variasi Head

## dan Celah Udara
Achmad Maulana Soehada Sebayang * dan Silviana Simbolon
Program Studi Teknik Mesin, Universitas Pamulang, Jl. Surya Kencana No. 1, Tangerang Selatan, Indonesia
E-mail: * dosen01547@unpam.ac.id
Masuk : 20 November 2019 Direvisi :10 Desember 2019 Disetujui : 20 Desember 2019
Abstrak: Energi  listrik  adalah  salah  satu  energi  yang  dihasilkan  dari  hasil  konversi  berbagai  jenis  energi  utama,  salah satunya adalah energi air. Potensi yang terdapat pada energi air sangatlah besar, untuk itu  diperlukan sebuah mesin turbin air beserta dengan generator yang sesuai dengan sistem dari turbin air yang dirancang. Beberapa parameter penting yang dapat mengoptimalkan  kinerja  dari  generator,  salah  satunya  adalah  jarak  celah  udara  antara  rotor  dengan  stator.  Penelitian  ini bertujuan  untuk  mengetahui  uji  kinerja  generator  magnet  permanen  fluks  aksial  satu  phasa  menggunakan  magnet  NdFeB bertipe  stator  tunggal  dengan  rotor  ganda.  Pengujian  dilakukan  dengan  memvariasikan  jarak  celah  udara    (  0,004  m  dan 0,006  m  )  dengan  jumlah  magnet  dan  kumparan  yang  konstan.  Dalam  pelaksanaan  pengujian  dilakukan  dua  tahap  yaitu pengujian  tanpa  beban  dan  pengujian  berbeban  lampu  AC  9W/220V  dengan  kecepatan  putar  yang  berbeda  sesuai  dengan putaran  turbin  air.  Hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa  tegangan  keluaran  tertinggi  terdapat  pada  kecepatan    975  Rpm dengan  jarak  celah  udara  0,004  m  yaitu  88  Volt  tanpa  beban  dengan  frekuensi  195  Hz.  Sedangkan  pengujian  berbeban menunjukkan hasil yaitu tegangan keluaran sebesar 88 volt dengan frekuensi 124,96 Hz serta arus 0,12 ampere. Daya listrik maksimal generator fluks aksial adalah sebesar 10,56 Watt.
.
Kata kunci: generator NdFeB, uji kinerja, celah udara, tegangan keluaran
Abstract: Electrical  energy  is  one  of  the  energies  produced  from  the  conversion  of  various  types  of  main  energy,  one  of which is water energy. The potential contained in water energy is very large, for that we need a water turbine engine along with  a  generator  that  is  in  accordance  with  the  system  of  the  water  turbine  designed.  There  are  several  important parameters that can optimize the performance of the generator, one of which is the air gap between the rotor and the stator. This study aims to determine the performance test of a single phase axial flux permanent magnet generator using a single stator type NdFeB magnet with a double rotor. The test was carried out by varying the air gap distance (0.004 m and 0.006 m) with a constant number of magnets and coils. In the implementation of the test, two stages were carried out, namely the no-load test and the 9W / 220V AC lamp-loaded test with different rotational speeds according to the water turbine rotation. The test results show that the highest output voltage is at a speed of 975 Rpm with an air gap of 0.004 m, namely 88 volts without load with a frequency of 195 Hz. While the load test shows the results, namely the output voltage of 88 volts with a frequency  of  124.96  Hz  and  a  current  of  0.12  amperes.  The  maximum  electric  power  of  the  axial  flux  generator  is  10.56 Watts.
Keywords : NdFeB generator, performance test, air gap, output voltage

## PENDAHULUAN
Kebutuhan  akan  adanya  energi  listrik  kini  meningkat  pesat.  Era  globalisasi  ini  akan  mendorong  setiap individu dan perusahaan untuk terus menjaga tingkat produktivitas, kreativitas dan kualitas dari produk atau jasa yang  ditawarkan.  Hal  ini  sangat  erat  kaitannya  dengan  aplikasi  teknologi  yang  harus  selalu  diiringi  dengan persedian  dan  pasokan  tenaga  listrik  yang  memadai.  Tidak  hanya  pada  daerah  perkotaan  saja,  melainkan
sekarang  kebutuhan  tersebut  sudah  menjamur  sampai  ke  daerah  pedesaan  dan  bahkan  daerah  yang  belum terjamah  sekalipun.  Terlepas  dari  masalah  transmisi  dan  distribusi  energi  listrik  yang  belum  merata,  alternatif pembangkit energi listrik yang murah dan mudah dengan tingkat efisiensi yang tinggi adalah salah satu jawaban mutlak  atas  permasalahan  akan  kebutuhan  energi  listrik  [1].  Berbagai  cara  dilakukan  agar  kebutuhan  listrik tersebut  dapat  terpenuhi,  baik  dengan  cara  menemukan  sumber  energi  baru,  maupun  dengan  pengoptimalan fungsi dan kinerja generator pembangkit listrik yang telah ada. Khususnya bagi pengembangan daerah – daerah pedesaan dan terpencil, maka adanya sumber energi alternatif dalam pembangkit energi listrik akan memegang peran penting dalam berbagai aktivitas indrustri dan ekonomi [2].
Untuk pembangkit energi listrik sekala kecil, generator magnet permanen fluks aksial merupakan salah satu  pilihan  terbaik  untuk  pembangkit  listrik  dengan  tenaga  turbin  air  [3].  Hal  ini  disebabkan  karena  jumlah kutub  magnet  yang  tinggi,  densitas  daya  listrik  yang  tinggi,  dan  perawatan  yang  lebih  ringan  adalah  karakter menarik  dari  generator  fluks  aksial  [4].  Dibandingkan  dengan  generator  fluks  radial,  generator  ini  memiliki keunggulan yaitu rasio daya per volume yang lebih besar, massa yang lebih ringan, pendiginan yang lebih baik, dan kontruksi lebih sederhana, serta kemudahan dalam meningkatkan kapasitas daya [5].
Generator fluks aksial  tipe rotor ganda  stator tunggal  tanpa inti besi adalah  salah  satu jenis generator yang  seringkali  digunakan  untuk  pembangkit  listrik  tenaga  angin,  dalam  kasus  ini  generator  tersebut  akan dikopling  menggunakan  puli  dengan  pembangkit  listrik  tenaga  air  (  turbin  air  jenis  crossflow  ).  Berdasarkan latar  belakang  tersebut,  penulis  ingin  melakukan  suatu  penelitian  secara  langsung  terhadap  karakteristik rancangan generator yang akan dibuat dengan memvariasikan celah udara.

## METODOLOGI
Metodelogi penelitian ini sesuai dengan yang tertera pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram Alir  Penelitian

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Tabel 1. Spesifikasi Generator Fluks Aksial Generator No. Parameter Lambang Nilai 1 Diameter luar stator D so 0,27 m 2 Diameter dalam stator D si 0,14 m 3 Tebal stator T s 0,012 m 4 Jumlah kumparan N s 12 buah 5 Jumlah lilitan N 360 lilitan 6 Jumlah phasa N ph 1 phasa 7 Diameter kawat D k 0,5 mm 8 Diameter luar kumparan D ko 0,048 m 9 Diameter dalam kumparan D ki 0,01 m 10 Tebal kumparan T k 0,01 m 11 Diameter rotor D r 0,22 m 12 Tebal rotor T r 0,009 m 13 Jumlah magnet Nm 24 buah 14 Radius dalam magnet r i 0,088 m 15 Radius luar magnet r o 0,103 m 16 Jarak antar magnet τ f 0,01 m 17 Dimensi magnet d 0,015 m t atau 𝜂 m 0,006 m 18 Kerapatan fluks magnet B r 0,2 T 19 Celah udara g1 0,004 m g2 0,006 m

## Data Pengukuran tanpa beban
Tabel 2. Hasil Data Pengujian Tanpa Beban No. Head (m) Daya air (Watt) Daya Turbin (Watt) Tekanan penstock (n/m 2 ) Debit air (m 3 /s) Putaran generator (Rpm) Celah udara (m) Tegangan listrik (V) 1 1,7 6,95 9,706014 27579,03 4,17x10 -4 620,7 0,004 47 0,006 44 2 3,4 19,44 15,33 41368,54 5,83x10 -4 856,7 0,004 73 0,006 67 3 5,1 34,72 19,43 55158,06 6,94x10 -4 975 0,004 88 0,006 84
47 73 88 44 67 84 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 620,7 856,7 975 T egan gan (V ) Putaran (Rpm) Celah Udara 0,004 m
Celah
Udara 0,006 m
Pada  Tabel  2.  terlihat  bahwa  tegangan  yang  dihasilkan  oleh  generator  berbanding  lurus  dengan  kecepatan putar  dari  generator,  dimana  semakin  cepat  putaran  generator  maka  semakin  besar  pula  tegangan  yang dihasilkan.  Tetapi  berbanding  terbalik  dengan  jarak  celah  udara.  Nilai  tegangan  tertinggi  yaitu  88  volt  yang terdapat pada head setinggi 5,1 meter, yang menghasilkan tekanan pada pipa penstock 55158,06 n/m 2 serta debit air sebesar 6,94 x 10 -4 m 3 /s dengan celah udara yang digunakan adalah 0,004 meter.
Gambar 2. Grafik Hubungan Pengaruh Putaran Terhadap Tegangan Listrik Tanpa Beban Dengan Variasi Celah Udara
Sedangkan nilai tegangan terendah terdapat pada head setinggi 1,7 meter dengan tekanan  27579,03 n/m 2 dan debit air 4,17 x 10 -4 m 3 /s  yaitu sebesar 44 volt pada jarak ceah udara yaitu 0,006 meter. Pada Tabel 4.4 bahwa putaran  sangat  berpengaruh  terhadap  tegangan  listrik  yang  dihasilkan,  semakin  cepat  suatu  putaran  maka semakin  besar  pula  tegangan  yang  dihasilkan.  Hal  tersebut  terlihat  jelas  pada  Gambar  4.  Besarnya  tegangan berbanding  terbalik  dengan  jarak  celah  udara,  semakin  kecil  nilai  celah  udara  maka  semakin  besar  tegangan listrik yang dihasilkan begitupun sebaliknya semakin besar nilai celah udara maka semakin kecil tegangan yang dihasilkan. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.
Tabel 3. Hasil Data Perhitungan Frekuensi No. Putaran generator (Rpm) Celah udara (m) Frekuensi (Hz) 1 620,7 0,004 124,14 0,006 2 856,7 0,004 171,34 0,006 3 975 0,004 195 0,006
Berdasarkan Tabel 3 maka dapat dibuat sebuah grafik untuk mengetahui pengaruh kecepatan putar generator terhadap  nilai  frekuensi.  Dilihat  dari  data  diatas  terbukti  bahwa  kecepatan  putar  tertinggi  yaitu  975  Rpm menghasilkan  frekuensi  berkisar  195  Hz  dan  terendah  terdapat  pada  kecepatan  putar  620,7  Rpm  dengan  nilai frekuensi  124,14  Hz.  Ini  sesuai  dengan  teori  bahwa  semakin  besar  putaran  dari  generator  maka  semakin  kecil frekuensi yang dihasilkan.
Pada Tabel 4. terlihat adanya penurunan pada tegangan  serta kecepatan putar generator  dikarenakan beban yang  diberikan  menyebabkan  generator  bekerja  lebih  kuat  untuk  menyalurkan  tegangan  dan  arus  yang dibutuhkan  oleh  beban  lampu  untuk  menyala.  Dimana  arus  yang  diperlukan  oleh  sebuah  lampu  LED  9  watt adalah  sebesar  0,12  ampere.  Nilai  tegangan  listrik  mengalami  penurunan  yang  cukup  besar  terjadi  pada head setinggi  3,4  meter  dengan  tekanan penstock 41368,54  n/m 2 serta  debit  air  5,84x10 -4 m 3 /s  yaitu  sebesar  12,3% atau sekitar 9 volt pada celah udara 0,004 m.
Tabel 4. Data Hasil Pengujian Dengan Beban Lampu 9 Watt
No. Hea d (m) Tekanan penstock (n/m 2 ) Debit air (m 3 /s) Putaran generator (Rpm) Frekue nsi (Hz) Celah udara (m) Tegangan listrik (V) Arus listrik (A) Daya lampu (W) Daya Listrik (W) Keteran gan 1 1,7 27579,0 3 4,17x1 0 -4 440,3 88,06 0,004 42 0,12 9 5,04 Redup 0,006 40 4,8 Redup 2 3,4 41368,5 4 5,83x1 0 -4 531,4 106,28 0,004 64 7,68 Nyala 0,006 60 7,2 Nyala 3 5,1 55158,0 6 6,94x1 0 -4 624,8 124,96 0,004 88 10,56 Nyala 0,006 84 10,08 Nyala
Berdasarkan  Tabel  4  untuk  mengetahui  pengaruh  perubahan  kecepatan  putar  terhadap  nilai  frekuensi. Peningkatan  nilai  frekuensi  dikarenakan  beban  yang  diberikan  menyebabkan  kecepatan  putar  generator meningkat  sehingga frekuensi  yang dihasilkan cenderung  besar. Nilai  maksimum  frekuensi dialami pada head 5,1 meter dengan kecepatan putar berkisar 624,8 Rpm, yaitu sebesar 35,92% atau berkisar 124, 96 Hz.
Tabel 5. Data Hasil Perhitungan Daya Turbin dan Daya Generator
Pada Tabel 5 terlihat jelas bahwa nilai efisiensi tertinggi terdapat pada Kecepatan Putar 624,8 Rpm dengan celah udara 0,004 m yaitu sebesar 54,34 %, dan nilai efisiensi terendah terdapat pada ketinggian  440,3 Rpm  dengan celah udara 0,006 m yaitu sebesar 49,45 %.

## KESIMPULAN
Generator  fluks  aksial  magnet  permanen  telah  berhasil  dibuat  dengan  unjuk  kerja,  tegangan  maksimal  88 volt  pada  kecepatan  putar  975  Rpm  dan  jarak  celah  udara  sebesar  0,004  mm  serta  dengan  daya  10,56  watt. Celah  udara  0,004  mm  dengan  kecepatan  putar  975  Rpm  memiliki  tegangan  88  volt.  Sedangkan  celah  udara 0,006 mm dengan kecepatan yang sama, memiliki tegangan 84 volt. Hal ini membuktikan semakin rapat celah udara maka semakin besar tegangan yang dihasilkan. Nilai tegangan berbeban 9 watt dengan celah udara 0,004 mm memiliki tegangan tertinggi yaitu 88 volt, arus 0,12 ampere dengan kecepatan putar 624,8 Rpm. Sedangkan tegangan  terendah  yaitu  42  volt,  0,12  ampere,  dengan  kecepatan  putar  440,3  Rpm.  Efisiensi  generator  fluks aksial mencapai 54,34 %.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. T.F. Chan. An Axial-Flux Permanent-Magnet Synchronous Generator for a Direct-Couple Wind-Turbine System. IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol.22 No. 1. 2004.
[2]. Putra,  A.  Eka.  2014.  Perancangan  Dan  Pembuatan  Generator  Fluks  Radial  Satu  Fasa  Menggunakan Lilitan Kawat Sepeda Motor Dengan Variasi Diameter Kawat.. Universitas Bengkulu.
[3]. Jacek F. Gieras, Rong-jie Wang, Maarten J. Kamper. Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machine. Kluwer Academic Publisher. New York. 2004.
[4]. M.  Sadeghirad,  et  al.    Design  Considerations  of  High  Speed  Axial  Flux  Permanent  Magnet  Generator with Coreless Stator. 2007. IPEC. 2007.
[5]. Rossouw  F.G.  “Analysis  and  Design  of  Axial  Flux  Permanent  Magnet  Wind  Generator  System  For Direct battery Charging Applications” Departement of Electrical & Electronic Engineering, Stellenbosch University, Matieland, 2009.
No Daya Turbin (P in ) (Watt) Putaran Generator (Rpm) Daya Generator (P out ) (Watt) Efisiensi Generator (%) Celah udara 0,004 m Celah udara 0,004 m Celah udara 0,006 m Celah udara 0,006 m 1 9,706014 440,3 5,04 51,92 49,45 4,8 2 15,33 531,4 7,68 50,09 49,96 7,2 3 19,43 624,8 10,56 54,34 51,87 10,08